基于MBD的设备全生命周期管理研究

张炽基

(嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司，四川苍溪，628400)

1 研究背景及目的

水电厂运维面临以下挑战：①人才培养：有经验的技术人员相对短缺，且经验具有难以标准化提取及缺乏普适性等特点；②发展模式：检修工艺及生产组织基本都靠经验及实践摸索，各专业对有经验人员依赖性强，难以实现一专多能，水轮发电机组对安装、运维质量及工期控制要求较高，科学统筹是必然选择；③信息化：目前信息化建设集中在办公自动化及各专业流程管理方面，设备本身及管理运营信息化(数字化)并没有实质发展，企业潜能未被激发。大力发展设备信息化(数字化)，最终实现两化融合(信息技术与工业技术的融合)是智能化电厂的必经之路，也是将来企业红利之所在。

本文研究基于MBD(基于模型的产品定义，Model-BasedDefinition)，利用目前西门子公司较为先进的一体化技术出版解决方案(Teamcenter+Cortona3D)，把三维模型、PMI(三维标注)、二维图纸等所有资料集成，通过集成开发及应用扩展，最终实现设备数据的全生命周期管理。并且可以出版为HTML(网页)、PDF、XML等多种格式，满足不同专业人员通过多终端(PC、手机等多种终端)，多场合(在线、离线)使用的需求。实现与信息管理平台深度集成，打通技术、生产、管理之间的壁垒。在典型示范设备完成后可以扩展到所有机电设备，为实现电厂全面数字化打下坚实基础，为设备的全生命周期管理提供宝贵实践经验。

2 研究内容

以设备MBD三维模型为信息源，利用西门子一体化技术出版解决方案(Teamcenter+Cortona3d)，结合电厂的信息化建设，参照先进行业的数字化实践经验，实现设备全生命周期管理，推进电厂生产运维的数字化建设，培养专业运维人才。具体研究内容如下。

2.1 信息提取

在目前设备运行情况下，选取典型示范设备(以活动导叶为例)，从Teamcenter提取源数据(设备参数、模型、图纸等)到Cortona3D软件里，利用仿真技术模拟机组不同水头、过机流速下的应力分布，用以监控设备生命周期，为设备的运维周期分析及判断提供理论数据支撑。

2.2 方案策划

对已完成类似数字化改造电站进行考察学习，组织学习成熟的改造方案，并邀请相关专家进行评审，深挖细节，吸收类似技术改造的经验教训。主要包括设备的可生产性验证及人机工程仿真。

2.2.1 设备的可生产性验证

通过设备数据库，将零部件、生产工艺和生产资源完美贯通，纵观全局地考虑生产，即：将修什么(设备)，怎么修(工艺)，用什么修(资源)，在哪修(厂房)的具象化数据整合在一起。统筹规划物资、工具、场地、人员等是否满足生产需要，交叉及并行作业是否符合安全规定、设备规程要求，避免窝工，停工。通过可生产性验证，合理配置人员、设备、材料、工期等，提高现有资源利用率，在虚拟环境中验证执行方案，提前发现问题并提出解决方案，保证整个检修维护工作合理且有效。

2.2.2 进行可生产性评估

在虚拟环境验证可生产性，实现生产各要素的精准匹配。通过三维设计，为电厂数字化提供数据基础，设备信息实现“源到端”直连，从根本上确保设备信息准确。通过PMI(三维标注)将设备几何形状表达与技术信息表达合为一体，提高工作人员的信息获取效率。以工程BOM(物料清单)为基础，创建检修维护BOM，让检修工作更加简洁清晰。在实施过程中，对一些复杂、难以确定的问题优先采取先进的数字仿真技术，进行虚拟验证，最终提炼出最优技术解决方案。

2.3 内容制作

根据方案策划，用Cortona3D发零部件图册、作业/操作指导书、培训资料、检修手册(说明书)等，并加入工作人员需要的材料说明、备品备件情况等信息，在智能化仓库的基础上，联系工作实际情况，不断完善数据库内容。

2.4 资料输出

将设备图册(包含零部件目录)、作业/操作指导书、培训资料、检修手册(说明书)等输出为HTML(网页)、PDF、XML等多种格式，针对不同情况下的使用者需要，选取适合工作情景的资料进行查阅和使用。

2.5 集成开发

以往的设备检修/操作过程基于经验，对人员经验依赖性强，无法精细优化作业过程并形成标准化工序。将输出内容与电厂信息管理系统集成开发，实现设备全生命周期管理，通过进行可视化的、精准的可行性验证，依据相关设备规程规定，优化设备的试验、试装、试运环节，提高设备维护、检修及装配效率。在科学化、具象化、标准工序化的前提下，提高设备运维质量。

图1 水轮机顶盖吊装工艺仿真

3 目标及成果形式

针对水电厂基于MBD的设备管理研究和开发相关问题开展研究，进行可行性论证。

3.1 预期目标

3.1.1 技术文件一体化集成

实现设备图册(包括零部件目录)、工艺/操作指导书、检修维护手册的三维可视、人机交互，实现设备信息、工艺/操作、厂房设施、生产资源，四个施工要素的信息集成。

3.1.2 数据同步

通过数据更新让虚拟设备(设备图册/零部件目录、工艺/操作指导书、培训材料、检修维护手册)与现场实际设备保持数据同步，及时更新技改设备信息，保持虚拟与现实的一致性。

3.1.3 设备全生命周期管理

用人机交互式的虚拟设备模型替代二维图纸，提高信息读取速度，避免信息误读。实现三维工艺设计及仿真验证，提高检修维护工艺的科学性及可行性，降低对人员经验的依赖，为保证检修维护质量打下坚实基础。通过设备管理库实现设备和资源的精准匹配，提高检修计划的合理性和科学性。通过数字化、人机交互式设备管理库与电厂信息管理系统的集成实现设备全生命周期管理。

3.1.4 数字化交互式三维仿真培训

对所有机电设备及厂房三维可视化集成，人机交互式的三维仿真培训使人员培训学习更加方便，设备图形以人机交互方式打开，比传统的设备图纸讲解更加方便易懂，人员获取知识的效率大大提高，并能在实际培训中减少对设备状态、运行工况、培训时间和场地的限制，培训运维人员的时间大量减少，为智能化电厂的人才培养计划打下坚实基础。

3.2 形成成果

3.2.1 高质量的设备图册(包括零部件目录)

数字化交互式设备管理库，以三维爆炸图形象展示设备结构中各零部件之间关系，以剖切、透视的方式展示设备的内部结构，可切换到高质量三维视图对应的二维图纸。

3.2.2 工艺/操作指导书、交互式电子手册(说明书)

以三维动画形式清晰展示机组装配结构和拆装过程，可以实现交互式操作。

3.2.3 数字化、交互式的三维动画仿真培训课件

制作数字化、交互式的三维动画仿真培训，具有培训场景向导、设备运行工况设置、识别设备零部件、设备典型缺陷分析、演示操作过程、多项选择题演示、辅导自学和测验打分等功能。

3.2.4 扩展开发

在完成上述成果的同时，优先实现设备管理与电厂信息管理系统的融合，预留冗余功能，为后续新应用的开发做好准备。

4 结语

在符合集团公司相关制度、标准的情况下，利用现有资源，建立智能化框架，逐步完善设备信息提取及数据库建立、可生产性论证、人机工程仿真等工作，为全面实现基于MBD的智能化电厂打下坚实的基础。